单层无定形碳（MAC）：颠覆性碳基材料的诞生

材料科学迎来突破性进展——新型碳基材料「单层无定形碳」（Monolayer Amorphous Carbon, MAC）的诞生。该材料由新加坡国立大学（NUS）与莱斯大学（Rice University）科学家合作研发，以其卓越的强度与韧性，引发学术界的广泛关注。

强度与脆性的难题

即使是最坚硬的材料，在压力下仍难以避免裂痕的产生，这一直是材料科学家试图克服的挑战。石墨烯虽然拥有极高的强度，但由于其易脆裂的特性，一旦出现裂缝，便会迅速扩展并导致结构崩坏，限制了其实际应用。

MAC 的独特结构：兼具强度与韧性

MAC 的发现成功打破了强度与韧性之间的矛盾。与石墨烯一样，MAC 也是二维或单原子厚的材料。但与石墨烯不同的是MAC 并非完全结晶，而是由结晶区域与非晶区域交织而成的复合材料。这种特殊结构不仅保有石墨烯的高强度，更赋予其超越石墨烯八倍的韧性。正是这种复合结构赋予了 MAC 特有的韧性，这表明复合设计方法可能是降低 2D 材料脆性的有效方法。

莱斯大学材料科学与奈米工程研究生、该研究的第一作者 Bongki Shin 表示：「这种独特的结构能有效抑制裂缝扩展，使材料在断裂前吸收更多能量。」

拓展二维材料的应用潜力

二维材料因其独特的物理与化学特性，在电子产品、能源储存、感测器与穿戴式科技等领域具备广泛应用前景。然而，其固有的脆性始终是影响实际应用的一大障碍。

为了克服这一挑战，科学家提出了两种增韧策略：

外在增韧——在薄膜中添加强化奈米结构。

内在增韧——透过改变材料内部结构来提升韧性。

MAC 的结构为研究奈米复合材料的断裂韧性提供了理想的参考模型，证明了内在增韧策略的可行性。

科学验证与未来发展

研究人员利用扫描电子显微镜进行原位拉伸测试，实时观察 MAC 中裂缝的形成与扩展过程。同时，麻省理工学院（MIT）的 Markus Buehler 团队透过分子动力学模拟，从原子层面分析晶体与非晶区域的混合如何影响材料的断裂能量。

「在原子尺度上合成与成像超薄无序材料极具挑战性，这在过去是难以实现的。」莱斯大学材料科学与奈米工程助理教授、该研究的通讯作者 Yimo Han 表示，「得益于奈米材料合成与高解析度成像技术的发展，我们发现了一种无需额外层，即可显著提升二维材料韧性的新方法。」

该研究成果已发表于国际学术期刊《Matter》，为未来二维材料的设计与应用开辟了新的可能性。这一发现不仅为突破材料脆性提供了有效策略，也为高性能电子元件、柔性设备与先进感测器的发展奠定了基础。

文献参考

• 突破性二维材料「单层无定形碳」问世，韧性远超石墨烯八倍
• A New Carbon Super-Material Is 8x Tougher Than Graphene
• “单层非晶态碳奈米复合材料的内在增韧”，作者：Bongki Shin、Bo Ni、Chee-Tat Toh、Doug Steinbach、Zhenze Yang、Lucas M. Sassi、Qing Ai、Kangdi Niu、Junhao Lin、Kazu Suenaga、Yimo Han、Markus J. Buehler、Marku、Hyaal 395 月 75 月，25 月 25 月 25月。 DOI: 10.1016/j.matt.2025.102000

（首图来源：Gustavo Raskoksy/莱斯大学)

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